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II. La chimiluminescence
Nous avons vu précédemment que la bioluminescence est un phénomène naturel de production de lumière froide grâce au complexe luciférine, luciférase.
Cependant il est possible de recréer de manière artificielle cette lumière à la suite d'une réaction chimique, c'est la chimiluminescence.
Il s'agit de la production de lumière lorsque l'atome passe d'un état excité à l'état fondamental en émettant donc un photon.
Sommaire
a)
b)
c)
a)
b)
c)
III/Utilisation dans la criminalistique
a) La réaction de chimiluminescence
Afin de reproduire une réaction de bioluminescence artificiellement, nous allons oxyder le luminol (cliquer ici) de formule C8H7N3O2, par le péroxyde d'hydrogène H2O2 en présence d'un catalyseur (en général à base de fer). La molécule ainsi obtenue est excitée et retourne à l'état initial en émettant un photon.
Il s'agit d'une réaction d'oxydoréduction: l'oxydant, ici le péroxyde d'hydrogène, capte les électrons cédés par le réducteur (le luminol).
Le ferricyanure de potassium sert de catalyseur, on le retrouve à la fin de la réaction.
Les couples d'oxydoréduction utilisés ici sont:
-
Le luminol: C8H7N3O2 / C8H5NO4
En présence d'eau le luminol devient l'ion Aminophtalate, la demi-équation est:
C8H7N3O2 + 2H2O C8H5NO4 + 6H + N2 + 4e
-
Le péroxyde d'hydrogène: H2O2 / H2O
Le péroxyde d'hydrogène capte les électrons et les protons cédés par le luminol. La demi équation est:
4e + 4H + 2H2O2 4H2O
-
Equation de la réaction d'oxydoréduction lorsque l'on mélange le péroxyde d'hydrogène au luminol:
C8H7N3O2 + 2H2O + 2H2O2 + 4e + 4H C8H5NO4 + N2 + 4H2O + 6H + 4e
En simplifiant:
C8H7N3O2 + 2H2O2 C8H5NO4 + N2 + 2H2O + 2H
2-
+
-
ion Aminophtalte
-
+
2-
-
+
2-
+
-
catalyseur
2-
catalyseur
+
Les deux équations comportent des ions H donc se réalisent en milieu acide. Cependant, la réaction est plus rapide en milieu basique c'est pourquoi la soude (hydroxyde de sodium = NaOH) est utilisée et les ions OH ajoutés de part et d'autre de l'équation.
L'équation de la réaction devient la suivante:
2OH + 2H2O2 + C8H7N3O2 2H2O + 2H + C8H5NO4 + N2 + 2OH
Or H + OH H2O , on obtient ainsi:
2OH + 2H2O2 + C8H7N3O2 4H2O + C8H5NO4 + N2
-
+
-
+
2-
-
+
-
-
-
2-
h
-
catalyseur: ferricyanure de potassium K3[Fe(CN)6]
+ 2OH + 2H2O2
+ 4H2O + N2
Luminol
ions hydroxyde apportés par la soude
Péroxyde
d'hydrogène
Aminophtalate Eau Diazote
-
Réaction d'oxydoréduction entre le ferricyanure de potassium et le péroxyde d'hydrogène:
Le catalyseur est une molécule qui accélère la réaction, ici l'oxydoréduction, sans être consommée ni modifiée. Le ferricyanure de potassium ne rentre pas dans la réaction ci-dessus car on le retrouve intact à la fin. Cependant il subit lui aussi une réaction d'oxydoréduction:
En présence de péroxyde d'hydrogène:
H2O2 + 2Fe 02 + 2Fe + 2H
H2O2 + 2Fe + 2H 2Fe + 2H2O
Fe est consommé puis restitué.
La réaction simplifiée est:
2H2O2 O2 + 2H2O
Au cours de l'expérience, nous mettrons en évidence un dégagement de dioxygène.
3+
2+
+
2+
+
3+
3+
Fe / Fe
3+
2+
b) Le photon
L'ion aminophtalate (luminol oxydé) est excité et retrouve son état stable en émettant un photon. Un atome est dit excité lorsqu'un électron passe d'une couche électronique inférieure E1 à un niveau supérieur E2 en recevant de l'énergie , c'est le phénomène d'absorption. Cet état est très instable c'est pourquoi l'ion aminophtalate retrouve très rapidement son état fondamental en libérant un photon.
Energie
E2
E1
Absorption
h
Emission d'un photon
Le photon est une particule neutre de masse nulle se déplaçant à la vitesse de la lumière. L'énergie d'un photon se calcule avec la formule suivante:
Ephoton = h.
h = Constante de planck = 6,626.10
= où C = 3,0.10 m/s donc Ephoton =
Concernant le luminol, le photon émis est visible dans les bleus car sa longueur d'onde est comprise entre 400 et 500 nm.
-34
C
8
h.C
Spectre de la lumière visible:
en nm
400
500
800
c) Notre expérience
Nous avons recréé en laboratoire une réaction de luminescence faisant intervenir:
-
les réactifs suivants:
- 0,5g de luminol:
- 10 mL de peroxyde d'hydrogène à 30%
- 1L d'eau distillée
- 5g de soude
- 8g de ferricyanure de potassium K3[Fe(CN)6]
-
le matériel suivant:
- une balance électronique
- 2 bechers de 500 mL
- un agitateur magnétique
- 3 béchers de 50 mL
- une spatule
- un erlenmeyer de 1L
- une éprouvette graduée de 10 mL
- des lunettes et des gants de protection
- une blouse
-
Nous allons constituer une solution A en mélangeant le luminol, la soude et l'eau distillée, en suivant le protocole suivant:
Protocole de la solution A:
- Verser 500 mL d'eau distillée dans un bécher A de 500mL;
- Peser 5g de soude dans un bécher sur une balance préalablement tarée à l'aide d'une spatule;
- Ajouter les 5g de soude dans le bécher A;
- De la même façon, peser et ajouter 0,5g de luminol dans le bécher A;
- Puis agiter.
-
Nous allons constituer une solution B en mélangeant le ferricyanure de potassium, le peroxyde d'hydrogène et l'eau distillée en suivant le protocole suivant:
Protocole de la solution B:
- Verser 500 mL d'eau distillée dans un bécher B de 500 mL;
- Peser 8g de ferricyanure de potassium à l'aide d'une spatule dans un bécher, sur une balance préalablement tarée;
- L'ajouter au bécher B;
- Puis agiter;
- Ajouter les 10 mL de peroxyde d'hydrogène dans le bécher B.
- Verser la solution A dans l'erlenmeyer de 1L puis sous la hotte introduire la solution B dans la solution A.
Vous pouvez observer la manipulation et le résultat de notre expérience avec cette vidéo. (n'hésitez pas à mettre la vidéo en HD:1080p dans les réglages pour un meilleur visionnage)
Observations:
Lorsque l'on ajoute la solution B contenant le péroxyde d'hydrogène à la solution A contenant le luminol, on observe une lumière intense mais fugace de couleur bleue ainsi qu'un dégagement gazeux avec la formation de bulles sur les parois de l'erlenmeyer. Il s'agit du diazote. Pour mettre en évidence un autre dégagement gazeux, nous approchons une flamme et remarquons qu'elle se ravive, il s'agit du dioxygène.
Nous venons de voir la synthèse de luminol en laboratoire et allons découvrir son utilisation dans un cadre plus concret celui de la police scientifique.